DE2705487C2 - Röntgenbildverstärkerröhre - Google Patents

Description

el) eine Siliciumscheibe, die im wesentlichen aus einem N-leitenden Kollektorgebiet (11) besteht und die auf der der Photokathode (4) abgewandten Seite eine Matrix von P-leitenden Inseln (15) zur Speicherung von Ladungsbildern enthält die im Kollektorgebiet (11) von den von der Photokathode (4) emittierten Elektronenstrahlen (14) erzeugt werden,

c2) eine auf der der Photokathode (4) zugewandten Seite angeordnete für Elektronen durchlässige Pufferschicht (13), die eine erste, äußere Metallschicht {Ϊ3Α) sowie eine zweite, innere Metallschicht (UB) autweist, deren Dichte höher ist als die Dichte der ersten, äußeren Metallschicht (13/4/

d) Mitteln zum Abtasten des auf der Photokathode (4) abgewandten Seite der Halbleiterauftreffplatte (6) erzeugten Ladungsbildes, um das Ladungsbild in elektrische Signale umzuwandeln,

gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

e) die Siliciumscheibe weist auf der der Photokathode (4) zugewandten Seite eine hochdotierte N+-leitende Oberflächenschicht (12) mit einer höheren Dotierung als das angrenzende Kollektorgebiet (11) auf,

f) die erste, äußere Metallschicht (i3A) besteht aus Beryllium,

g) die zweite, innere Metallschicht [13B) besteht aus Niob.

2. Röntgenbildverstärkerröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die hochdotierte Oberflächenschicht (12) eine mit Phosphor diffundierte Schicht ist, deren Dotierungsprofil derart gewählt ist, daß in der Tiefe, in der die Kollektorwirkung 5% beträgt, die Zunahme der Kollektorwirkung mit der Tiefe weniger als 50% pro 0,1 μίτι beträgt.

3. Röntgenbildverstärkerröhre nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der äußeren, ersten Metallschicht (13A^ so gewählt ist, daß darin etwa die Hälfte der einfallenden Elektronenenergie absorbiert wird.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Röntgenbildverstärkerröhre entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine Röntgenbildverstärkerröhre dieser Art ist aus der US-PS 37 61 762 bekannt.

Eine Halbleiterauftreffplatte für eine Röntgenbildyerstärkerröhre ist auch in dem Aufsatz »Silicon Electron Multiplication Camera Tube« in »LEE E. Transactions on Electron Devices«, Band ED 18. Nr. 11, November 1971, S. 1023—1028 beschrieben.

Eine übliche Auftreffplatte für Bildverstärkerröhren, die meistens aus Silicium besteht arbeitet mit einfallenden Elektronen, die auf Energien von 2,5 bir lOkeV beschleunigt werden, die Auftreffplattcnverstärkungen

ίο von etwa 1 bis 2000 entsprechen, in der Praxis wird die Photokathode der Röntgenbildverstärkerröhre auf einem negativen Potential gehalten, während die Photoelektronen auf die Auftreffplatte auftreffen, die praktisch an Erdpotential liegt Der Nachteil der Standardauftreffplatte besteht darin, daß in dem Bereich, der für eine Röntgenbildverstärkerröhre mit Photokathodenspannungen von —19 kV bis —25 kV erforderlich ist, die Auftreffplattenverstärkung zu hoch ist. Daher muß der Röntgenstrom in dem Bildverstärker niedrig gehalten werden, dam<t Sättigung des Ausgangssignals der Auftreffplatte vermieden wird.

Eine Röntgenbildverstärkerröhre, die auf diese Weise betrieben wird, weist ein niedriges Signal-Rausch-Verhältnis a>.'f.

Es wurde versucht, diesen Nachteil dadurch zu beseitigen, daß eine metallene Pufferschicht auf der genannten ersten Seite der Auftreffplatte erzeugt wird (US-PS 37 61 762). Eine derartige Pufferschicht führt jedoch normalerweise zu örtlichen Ungleichmäßigkeiten, die ein fleckiges Bild zur Folge haben, so daß die Wahl des Materials für die Pufferschicht auf sehr besondere Metalle und Dicken beschränkt ist, um die genannte Flekkenbildung zu vermeiden. Außerdem weist diese Lösung den großen Nachteil auf. daß durch die Abbremsung der auffallenden Elektronen mit hoher Energie in der Metallschicht Röntgenstrahlung erzeugt wird, die in der Halbleiterscheibe ebenfalls Ladungsträger erzeugt, die zu einer Erhöhung des Rauschens beitragen.

Zur Vermeidung dieser Schwierigkeiten ist es bereits aus der US-PS 37 61 762 bekannt, die Pufferschicht in eine errte, äußere Metallschicht mit niedriger Dichte (beispielsweise Aluminium) und eins zweite, innere Metallschicht mit höherer Dichte (beispielsweise Chrom) aufzuteilen.

Schließlich wurde in der älteren Patentanmeldung P 26 05 965.4-33 eine Röntgenbildverstärkerröhre nach dem Obefbegriff des Anspruchs 1 vorgeschlagen, die auch noch das Merkmal e) des Anspruchs 1 aufweist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Röntgenbildverstärkerröhre nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so weiterzubilden, daß die Auftreffplatte einen einstellbaren Verstärkungsfaktor, beispielsweise im Bereich zwischen 3 und 300, aufweist, wenn die Photokathodenspannung zwischen —19 kV und —25 kV variiert, wobei das durch die in der Pufferschicht erzeugte Röntgenstrahlung verursachte Rauschen weiter verringert ist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung enthalten die Unteransprüche 2 und 3. Dabei ist es aus der eingangs genannten Literaturstelle »IEEE Transactions on Electron Devices« bereits bekannt, die hochdotierte N+-leitende Oberflächenschicht durch Phosphordiffusion zu erzeugen.

Die Erfindung wird nachstehend beispielsweise an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 schematisch eine Röntgenbildverstärkerröhre,

Fig.2 in vergrößertem Maßstab einen Querschnitt durch einen Teil der Auftreffplatte mit Siliziumdiodenreihe einer Röntgenbildverstärkerröhre nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, und

Fig.3 die Kurve, in der die Verstärkung über der Photokathodenspannung einer bekannten Auftreffplatte aufgetragen ist, und vergleichsweise eine derartige Kurve für eine Auftreffplatte in einer Röntgenbildverstärkerröhre nach der Erfindung.

In F i g. 1 geht die Röntgenstrahlung durch das Fenster 2 einer Röntgenbildverstärkerröhre 1 und trifft auf einen Szintillationsschirm 3 auf, der seinerseits eine Photokathode 4 beleuchtet, die sich in unmittelbarer Nähe des Szintillationsschirmes befindet. Von der Photokathode emittierte Elektronen werden von einem Fokussierkonus 5 fokussiert und auf eine Seite einer Auftreffplatte 6, die eine Vielzahl regelmäßig angeordneter Dioden 15 enthält, projiziert, wie nachstehend an Hand der F i g. 2 beschrieben werden wird. Zwisch; η den Dioden 15 befinden sich jeweils isolierende Bereiche 19. : Die gegenüberliegende Seite der Auftreffplatte 6 wird von einem Elektronenstrahl abgetastet, der von einem Elektronenstrahlerzeugungssystem 7 stammt, das auch eine Kathode und eine Gitterelektrode 9 enthält. Der emittierte abtastende Elektronenstrahl wird auf übliche Weise von Ablenkspulen 8 abgelenkt.

In der Röntgenbildverstärkerröhre dieses Typs muß im Vergleich zu einer üblichen Röhre eine erhöhte negative Spannung an die Photokathode angelegt werden, um ein gutes Auflösungsvermögen der Elektronenoptik der Verstärkerröhre zu erhalten. Um die Auftreffplatte 6 an die der Röntgenbildverstärkerröhre gestellten Anforderungen anzupassen, ist es notwendig, daß die Verstärkung der Auftreffplatte 6 zwischen etwa 3 und 300 einstellbar ist, wenn die Photokathodenspannung zwischen etwa —19 kV und —25 kV geändert wird, je nach dem besonderen Entwurf des Verstärkerabschnittes. Wie in F i g. 2 dargestellt ist, erzeugen diese Elektronen 14 mit hoher Energie, die auf das N-leitende Siliziumkollektorgebiet 11 einfallen, eine Vielzahl von Loch-Elektron-Paaren in dem Gebiet 11. Die Löcher diffundieren und entladen in der Sperrichtung vorgespannte pn-Dioden 15 (Verarmungszone 17) auf der gegenüberliegenden Oberfläche der Auftreffplatte. Die so erhaltene auf den Dioden gespeicherte Ladung ergibt ein Ladungsbild, das dem einfallenden Elektronenbild entspricht Das Ladungsbild wird von dem vom Elektronenstrahlerzeugungssystem 7 erzeugten abtastenden Strahl 18 abgetastet und ausgelesen. Auf den Dioden 15 und den isolierenden Bereichen 19 befindet sich eine Widerstandsschicht (»resistive sea«) 16.

Um die Auftreffplatte an die obengenannte der Röntgenbildverstärkerröhre gestellten Anforderungen anzupassen, wo die Photokathodenspannung zwischen etwa — 19 kV und -25 kV geändert wird und die Auftreffplattenverstärkung zwischen etwa 3 und 300 einstellbar sein muß, wird das N-leitende Kollektorgebiet 11 in bekannter Weise auf der den einfallenden Elektronen 14 zugekehrten Seite durch eine schwere Phosphordiffusion geändert, um eine tiefe N+ -leitende Oberflächenschicht 12 zu erhalten, wobei die Oberfläche derselben mit einer metallenen Pufferschicht 13 überzogen wird. Die Dicke der Oberflächenschicht 12 ist etwa 0,5 μίτι und die der Pufferschicht 13 etwa 1 μπι. Die Tiefe der der Rekombination dienenden Oberflächenschicht 12 kann derart eingestellt werden, daß Fehler und Ungleichmäßigkeiten der Auftreffplattenempfindlichkeit infolge von Fehlern in der metallenen Pufferschicht 13 auf ein Mindestmaß herabgesetzt werden.

Die Pufferschicht 13 besteht aus zwei aufeinanderliegenden Metallschichten, und zwar einer ersten, äußeren Metallschicht 13Λ und einer zweiten, inneren Metallschicht 135, wobei die Dichte der zweiten, inneren Metallschicht 135 in bekannter Weise größer ist als die Dichte der ersten, äußeren Metallschicht 13Λ (US-PS 37 61 762). Im Gegensatz zu der aus dieser US-PS 37 61 762 bekannten Röntgenbildverstärkerröhre besitzt die erfindungsgemäße Rohre eine erste, äußere Metallschicht aus Beryllium und eine zweite, innere Metallschicht aus Niob, die auf der der Photokathode 4 zugewandten Seite der hochdotierten N+-leitenden Oberflächenschicht 12 angeordnet sind.

Fig.3 zeigt charakteristische Verstärkungskurven für eine Standardauftreffplatte und eine Auftreffplatte nach der Erfindung, wobei als Ordinate der Verstärkungsfaktor und als Abszisse die Photokathodenspannung (in kV) aufgetragen ist Die Kurve A bezieht sich auf eine Standardauftreffplatte und die Kurve B bezieht sich auf eine Auftreffplatte in einer Röntgenbildverstärkerröhre nach der Erfindung. Die dargestellten Kurven zeigen, daß das Einbauen der Auftreffplatte 6 in eine Röntgenbildverstärkerröhre der bedienenden Person die Möglichkeit bietet, die Verstärkung der Röhre auf einfache Weise zwischen 3 und 300 einzustellen, damit ein optimales Signal-Rausch-Verhältnis für besondere Diagnosesituationen erhalten wird.

In Fig.2 besteht das Kollektorgebiet 11 aus einem einkristallinen Siliziumsubstrat Die Phosphordiffusion, die die N+ -leitende Oberflächenschicht 12 erzeugt, ist derart eingestellt, daß eine sehr langsame Zunahme der Kollektorwirkung mit der Tiefe in der Auftreffplatte erhalten wird. An dem 5°/o-Kollektorwirkungspunkt soll die Zunahme der Kollektorwirkung mit der Tiefe in der Auftreffplatte geringer als etwa 50% pro 0,1 μίτι mit entsprechend niedrigen Zunahmeverhältnissen an anderen Punkten auf der Kollektorwirkungskurve sein.

Die sehr langsame Zunahme der Kollektorwirkung mit der Tiefe in der Auftreffplatte ergibt zwei günstige Effekte:

Ungleichmäßigkeiten in der Auftreffplattenempfindlichkeit, die durch Ungleichmäßigkeiten in der metallenen Pufferschicht herbeigeführt werden, werden herabgesetzt;

2. übermäßiges Auftreffplattenrauschen, das durch die Absorption in dem Kollektorgebiet von energiereichen Röntgenstrahlenquanten herbeigeführt wird, die von auf die metallene Pufferschicht einfallenden Photoelektronen erzeugt werden, wird erheblich herabgesetzt.

Wie oben beschrieben wurde, wird es durch passende Wahl der kombinierten Dicke der Oberflächenschicht 12 und der metallenen Pufferschicht 13 möglich, die Auftreffplattenverstärkung für einen bestimmten Photokathodenspannungsbereich so zu ändern, daß dieser innerhalb des für Röntgenbildverstärkrröhren erforderlichen Bereiches fällt. Die kombinierte Dicke wird z. B. derart gewählt, daß eine Auftreffplattenv erstärkung erhalten wird, die von 3 bis etwa 300 variiert, wenn die Photokathodenspannung von etwa —19 kV bis —25 kV variiert (F ig. 3).

Die Dicke der ersten äußeren Metallschicht 13Λ wird derart gewählt, daß etwa die Hälfte der einfallenden Elektronenenergie absorbiert wird, wobei die Dichte der zweiten inneren Metallschicht 135 genügend hoch

ist, um die laterale Diffusion der Elektronen mit hoher
Energie, die durch die erste äußere Metallschicht 13/4
hindurchdringen, auf weniger als 1 μπι zu beschränken,
damit eine Verschlechterung des Auflösungsvermögens
der Auftreffplatte vermieden wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

m 65

Claims (1)

1. Patentansprüche:
   1. Röntgenbildverstäkerröhre mit:

   a) einem Szintillator (3) zum Umwandeln eines Röntgenbildes in ein optisches Strahlungsbild,

   b) einer Photokathode (4) zum Umwandeln des optischen Strahlungsbildes in Elektronenstrahlen (14),

   c) einer Halbleiterauftreffplatte (6), die enthält: